Elektromos áram jelenségei gázokban. Bevezetés

Normál körülmények között a gázok dielektrikumok, mert. semleges atomokból és molekulákból állnak, és nincs elegendő szabad töltésük.A gázok csak akkor válnak vezetővé, ha valamilyen módon ionizálódnak. A gázok ionizációs folyamata abból áll, hogy bármilyen ok hatására egy vagy több elektron leválik az atomról. Ennek eredményeként a semleges atom helyett pozitív ionés elektron.

A molekulák ionokra és elektronokra bomlását ún gázionizáció.

A képződött elektronok egy részét ezután más semleges atomok befoghatják, majd negatív töltésű ionok.

Így egy ionizált gázban háromféle töltéshordozó van: elektronok, pozitív ionok és negatív ionok.

Az elektron elválasztása az atomtól bizonyos energia ráfordítását követeli meg. ionizációs energia Wén . Az ionizációs energia a gáz kémiai természetétől és az atomban lévő elektron energiaállapotától függ. Tehát az első elektron leválása a nitrogénatomról 14,5 eV energiát fordít, a második elektron leválása pedig 29,5 eV, a harmadik leválása 47,4 eV.

A gázionizációt okozó tényezőket ún ionizátorok.

Az ionizációnak három típusa van: termikus ionizáció, fotoionizáció és ütésionizáció.

Termikus ionizáció gáz atomjainak vagy molekuláinak magas hőmérsékleten történő ütközésének eredményeként következik be, ha az ütköző részecskék relatív mozgásának kinetikai energiája meghaladja az atomban lévő elektron kötési energiáját.

Fotoionizáció elektromágneses sugárzás (ultraibolya, röntgen- vagy γ-sugárzás) hatására következik be, amikor az elektronnak az atomról való leválasztásához szükséges energiát egy sugárzási kvantum adja át rá.

Ionizáció elektronütéssel(vagy ütési ionizáció) pozitív töltésű ionok képződése atomok vagy molekulák gyors, nagy kinetikus energiájú elektronokkal való ütközésének eredményeként.

A gázionizáció folyamata mindig együtt jár a semleges molekulák ellentétes töltésű ionokból az elektromos vonzásuk miatti visszanyerésével. Ezt a jelenséget az ún rekombináció. A rekombináció során az ionizációra fordított energiával egyenlő energia szabadul fel. Ez például gázfényt okozhat.

Ha az ionizáló hatása változatlan, akkor az ionizált gázban dinamikus egyensúly jön létre, amelyben időegység alatt annyi molekula áll helyre, amennyi ionokká bomlik. Ebben az esetben a töltött részecskék koncentrációja az ionizált gázban változatlan marad. Ha azonban az ionizáló működését leállítjuk, akkor a rekombináció kezd érvényesülni az ionizációval szemben, és az ionok száma gyorsan majdnem nullára csökken. Következésképpen a töltött részecskék jelenléte a gázban átmeneti jelenség (amíg az ionizáló működik).

Külső tér hiányában a töltött részecskék véletlenszerűen mozognak.

gázkisülés

Amikor ionizált gázt helyezünk be elektromos mező elektromos erők kezdenek hatni a szabad töltésekre, és párhuzamosan sodródnak a feszültségvonalakkal: elektronok és negatív ionok - az anódhoz, pozitív ionok - a katódhoz (1. ábra). Az elektródáknál az ionok semleges atomokká alakulnak azáltal, hogy elektronokat adnak vagy fogadnak el, és ezzel teljessé teszik az áramkört. A gázban elektromos áram keletkezik.

Elektromos áram a gázokban az ionok és elektronok irányított mozgása.

A gázokban lévő elektromos áramot ún gázkisülés.

A gáz teljes árama két töltött részecskék áramából áll: a katódhoz és az anódhoz irányított áramból.

A gázokban a fémek vezetőképességéhez hasonló elektronikus vezetőképességet ionos vezetőképességgel kombinálják, hasonlóan a vizes oldatok vagy elektrolitolvadékok vezetőképességéhez.

Így a gázok vezetőképessége van ion-elektronikus karakter.

A természetben nincsenek abszolút dielektrikumok. A részecskék - elektromos töltéshordozók -, azaz áram rendezett mozgása bármilyen közegben előidézhető, ehhez azonban speciális feltételek szükségesek. Itt megvizsgáljuk, hogyan zajlanak le az elektromos jelenségek a gázokban, és hogyan lehet egy gázt nagyon jó dielektrikumból nagyon jó vezetővé változtatni. Érdeklődni fogunk, hogy milyen körülmények között keletkezik, és az is, hogy milyen jellemzők jellemzik a gázok elektromos áramát.

A gázok elektromos tulajdonságai

A dielektrikum olyan anyag (közeg), amelyben a részecskék - az elektromos töltés szabad hordozói - koncentrációja nem ér el jelentős értéket, aminek következtében a vezetőképesség elhanyagolható. Minden gáz jó dielektrikum. Szigetelő tulajdonságaikat mindenhol alkalmazzák. Például bármely megszakítóban az áramkör nyitása akkor következik be, amikor az érintkezőket olyan helyzetbe hozzák, hogy légrés képződik közöttük. Az elektromos vezetékekben lévő vezetékeket is levegőréteg választja el egymástól.

Bármely gáz szerkezeti egysége egy molekula. Ebből áll atommagokés elektronikus felhők, vagyis ez egy gyűjtemény elektromos töltések valamilyen módon elosztva a térben. Egy gázmolekula lehet szerkezetének sajátosságaiból adódóan, vagy külső elektromos tér hatására polarizálódhat. A gázt alkotó molekulák túlnyomó többsége normál körülmények között elektromosan semleges, mivel a bennük lévő töltések kioltják egymást.

Ha elektromos mezőt alkalmazunk a gázra, a molekulák dipólus orientációt vesznek fel, és olyan térbeli pozíciót foglalnak el, amely kompenzálja a mező hatását. A gázban jelenlévő töltött részecskék Coulomb-erők hatására elkezdenek mozogni: a pozitív ionok - a katód irányába, a negatív ionok és elektronok - az anód felé. Ha azonban a mezőnek nincs elegendő potenciálja, akkor nem jön létre egyetlen irányított töltésáramlás, és inkább külön áramokról beszélhetünk, amelyek annyira gyengék, hogy figyelmen kívül kell őket hagyni. A gáz dielektrikumként viselkedik.

Így az előforduláshoz elektromos áram gázokban a szabad töltéshordozók nagy koncentrációja és egy mező jelenléte szükséges.

Ionizálás

A gázban lévő szabad töltések számának lavinaszerű növekedését ionizációnak nevezzük. Ennek megfelelően azt a gázt, amelyben jelentős mennyiségű töltött részecske van, ionizáltnak nevezzük. Az ilyen gázokban elektromos áram keletkezik.

Az ionizációs folyamat a molekulák semlegességének megsértésével jár. Az elektron leválása következtében pozitív ionok jelennek meg, az elektron molekulához való kapcsolódása negatív ion képződéséhez vezet. Ezen kívül sok szabad elektron van egy ionizált gázban. A pozitív ionok és különösen az elektronok a gázok elektromos áramának fő töltéshordozói.

Ionizáció akkor következik be, amikor egy részecske bizonyos mennyiségű energiát ad át. Így a molekula összetételében lévő külső elektron, miután megkapta ezt az energiát, elhagyhatja a molekulát. A töltött részecskék és a semleges részecskék kölcsönös ütközése új elektronok kiütéséhez vezet, és a folyamat lavina karakter. A részecskék mozgási energiája is megnő, ami nagyban elősegíti az ionizációt.

Honnan származik a gázokban az elektromos áram gerjesztésére fordított energia? A gázok ionizálásának több energiaforrása van, ezek szerint szokás a típusait megnevezni.

1. Ionizálás elektromos mező. Ebben az esetben a mező potenciális energiája átalakul a részecskék mozgási energiájává.
2. Termikus ionizáció. A hőmérséklet emelkedése nagyszámú ingyenes töltés kialakulásához is vezet.
3. Fotoionizáció. Ennek a folyamatnak az a lényege, hogy a kvantumok energiát adnak az elektronoknak elektromágneses sugárzás- fotonok, ha kellően magas frekvenciájúak (ultraibolya, röntgen, gamma-kvantumok).
4. Az ütési ionizáció az ütköző részecskék kinetikus energiájának elektronleválási energiává való átalakulásának eredménye. A termikus ionizáció mellett a gázok elektromos áramának gerjesztésének fő tényezője.

Minden gázt egy bizonyos küszöbérték jellemez - az ionizációs energia, amely ahhoz szükséges, hogy az elektron elszakadjon a molekulától, leküzdve a potenciálgát. Ez az érték az első elektronra néhány volttól két tíz voltig terjed; több energiára van szükség a következő elektron leválasztásához a molekuláról stb.

Figyelembe kell venni, hogy a gázban történő ionizációval egyidejűleg fordított folyamat megy végbe - rekombináció, azaz a semleges molekulák helyreállítása a Coulomb-vonzóerők hatására.

A gázkisülés és típusai

Tehát a gázokban az elektromos áram a töltött részecskék rendezett mozgásának köszönhető, a rájuk ható elektromos tér hatására. Az ilyen töltések jelenléte viszont különféle ionizációs tényezők miatt lehetséges.

A termikus ionizáció tehát jelentős hőmérsékletet igényel, de egyes kémiai folyamatok kapcsán a nyílt láng hozzájárul az ionizációhoz. Még viszonylag alacsony hőmérsékleten, láng jelenlétében is rögzítik az elektromos áram megjelenését a gázokban, és a gáz vezetőképességével kapcsolatos kísérletekkel ez könnyen ellenőrizhető. A feltöltött kondenzátor lapjai közé égő vagy gyertya lángját kell elhelyezni. A kondenzátor légrés miatt korábban megszakadt áramkör bezárul. Az áramkörhöz csatlakoztatott galvanométer mutatja az áram jelenlétét.

A gázokban lévő elektromos áramot gázkisülésnek nevezzük. Figyelembe kell venni, hogy a kisülés stabilitásának megőrzése érdekében az ionizáló hatásának állandónak kell lennie, mivel az állandó rekombináció következtében a gáz elveszti elektromosan vezető tulajdonságait. A gázokban lévő elektromos áram egyes hordozói - ionok - az elektródákon semlegesítődnek, mások - az elektronok - az anódhoz jutva a térforrás "pluszához" kerülnek. Ha az ionizáló tényező megszűnik, a gáz azonnal újra dielektrikummá válik, és az áram megszűnik. Az ilyen áramot, amely egy külső ionizáló hatásától függ, nem önfenntartó kisülésnek nevezzük.

Az elektromos áram gázokon való áthaladásának jellemzőit az áramerősség speciális feszültségfüggősége írja le - az áram-feszültség karakterisztikája.

Tekintsük a gázkisülés kialakulását az áram-feszültség függés grafikonján. Amikor a feszültség egy bizonyos U 1 értékre emelkedik, az áramerősség ezzel arányosan növekszik, vagyis teljesül az Ohm-törvény. Növekszik a mozgási energia, és ezáltal a töltések sebessége a gázban, és ez a folyamat megelőzi a rekombinációt. U 1 és U 2 közötti feszültségértékeknél ez a kapcsolat megsérül; az U 2 elérésekor az összes töltéshordozó eléri az elektródákat anélkül, hogy ideje lenne rekombinálni. Minden ingyenes töltés érintett, és a feszültség további növekedése nem vezet az áramerősség növekedéséhez. A töltések mozgásának ezt a természetét telítési áramnak nevezzük. Elmondhatjuk tehát, hogy a gázok elektromos árama is az ionizált gáz viselkedésének sajátosságaiból fakad különböző erősségű elektromos mezőkben.

Amikor az elektródák közötti potenciálkülönbség eléri bizonyos értéket U 3, a feszültség elegendő lesz ahhoz, hogy az elektromos tér a gáz lavinaszerű ionizációját idézze elő. A szabad elektronok mozgási energiája már elegendő a molekulák ütközési ionizációjához. Ugyanakkor a legtöbb gázban a sebességük kb. 2000 km/s és nagyobb (ezt a v=600 U i közelítő képlettel számítjuk ki, ahol U i az ionizációs potenciál). Ebben a pillanatban gázlebomlás következik be, és egy belső ionizációs forrás miatt jelentős áramnövekedés következik be. Ezért az ilyen kisülést függetlennek nevezik.

A külső ionizátor jelenléte ebben az esetben már nem játszik szerepet a gázok elektromos áramának fenntartásában. Önkisülés be különböző feltételekés az elektromos tér forrásának eltérő jellemzői mellett bizonyos jellemzői lehetnek. Vannak olyan önkisülési típusok, mint az izzás, a szikra, az ív és a korona. Röviden megvizsgáljuk, hogyan viselkedik az elektromos áram gázokban, minden egyes típus esetében.

100 (és még kevesebb) és 1000 V közötti potenciálkülönbség elegendő az önkisülés elindításához. Ezért az alacsony áramerősséggel (10-5 A-tól 1 A-ig terjedő) jellemezhető izzítókisülés néhány higanymilliméternél nem nagyobb nyomáson lép fel.

A ritkított gázzal és hideg elektródákkal ellátott csőben a keletkező izzókisülés úgy néz ki, mint egy vékony világító zsinór az elektródák között. Ha tovább pumpáljuk a gázt a csőből, akkor az izzószál kimosódik, és tizedmilliméteres higanymilliméteres nyomáson az izzás szinte teljesen kitölti a csövet. A ragyogás hiányzik a katód közelében - az úgynevezett sötét katód térben. A többit pozitív oszlopnak nevezzük. Ebben az esetben a kisülés meglétét biztosító fő folyamatok pontosan a sötét katódtérben és a vele szomszédos régióban lokalizálódnak. Itt a töltött gázrészecskék felgyorsulnak, és kiütik az elektronokat a katódból.

Izzító kisülés esetén az ionizáció oka a katód elektronemissziója. A katód által kibocsátott elektronok a gázmolekulák ütközési ionizációját idézik elő, a felbukkanó pozitív ionok másodlagos emissziót okoznak a katódból stb. A pozitív oszlop izzása elsősorban a fotonok gerjesztett gázmolekulák általi visszarúgásának köszönhető, a különböző gázokra pedig egy bizonyos színű izzás jellemző. A pozitív oszlop csak az elektromos áramkör részeként vesz részt az izzítókisülés kialakításában. Ha az elektródákat közelebb hozza egymáshoz, akkor elérheti a pozitív oszlop eltűnését, de a kisülés nem áll le. Az elektródák közötti távolság további csökkentésével azonban az izzítókisülés nem létezhet.

Meg kell jegyezni, hogy azért ebből a típusból elektromos áram a gázokban, egyes folyamatok fizikája még nem teljesen tisztázott. Például továbbra is tisztázatlan azoknak az erőknek a természete, amelyek az áram növekedését okozzák a katód felületén a kisülésben részt vevő terület kiterjesztéséhez.

szikrakisülés

A szikratörés pulzáló jellegű. Normál légköri nyomáson fordul elő, olyan esetekben, amikor az elektromos térforrás ereje nem elegendő az álló kisülés fenntartásához. Ebben az esetben a térerő nagy, és elérheti a 3 MV/m-t. A jelenséget a gáz kisülési elektromos áramának meredek növekedése jellemzi, ugyanakkor a feszültség rendkívül gyorsan csökken, és a kisülés leáll. Ezután a potenciálkülönbség ismét nő, és az egész folyamat megismétlődik.

Ezzel a kisütési típussal rövid távú szikracsatornák jönnek létre, amelyek növekedése az elektródák közötti bármely pontról megindulhat. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy az ütési ionizáció véletlenszerűen történik olyan helyeken, ahol Ebben a pillanatban az ionok legnagyobb koncentrációja. A szikracsatorna közelében a gáz gyorsan felmelegszik és hőtáguláson megy keresztül, ami akusztikus hullámokat okoz. Ezért a szikrakisülést recsegés, valamint hő felszabadulás és fényes ragyogás kíséri. A lavina ionizációs folyamatai magas nyomást és 10 000 fokos vagy még magasabb hőmérsékletet generálnak a szikracsatornában.

A természetes szikrakisülés legszembetűnőbb példája a villámlás. A fő villámszikra-csatorna átmérője néhány centimétertől 4 m-ig terjedhet, a csatorna hossza pedig elérheti a 10 km-t. Az áramerősség eléri az 500 ezer ampert, a zivatarfelhő és a Föld felszíne közötti potenciálkülönbség pedig eléri a milliárd voltot.

A leghosszabb, 321 km hosszú villámlást 2007-ben az Egyesült Államokban, Oklahomában észlelték. Az időtartam rekordtartója a villámcsapás volt, amelyet 2012-ben jegyeztek fel a francia Alpokban – ez több mint 7,7 másodpercig tartott. Villámcsapáskor a levegő akár 30 ezer fokot is felmelegíthet, ami hatszor magasabb, mint a Nap látható felületének hőmérséklete.

Azokban az esetekben, amikor az elektromos tér forrásának teljesítménye elég nagy, a szikrakisülés ívkisüléssé alakul.

Ezt a fajta önfenntartó kisülést nagy áramsűrűség és alacsony (kisülésnél kisebb) feszültség jellemzi. Az elektródák közelsége miatt a letörési távolság kicsi. A kisülést egy elektron kibocsátása indítja el a katód felületéről (a fématomoknál az ionizációs potenciál kicsi a gázmolekulákhoz képest). Az elektródák közötti meghibásodás során olyan feltételek jönnek létre, amelyek mellett a gáz elektromos áramot vezet, és szikrakisülés következik be, amely lezárja az áramkört. Ha a feszültségforrás teljesítménye elég nagy, a szikrakisülések stabil elektromos ívvé alakulnak.

Az ívkisülés során az ionizáció eléri a 100%-ot, az áramerősség nagyon magas, és 10-100 amper között mozoghat. Légköri nyomáson az ív 5-6 ezer fokig, a katód pedig 3 ezer fokig melegedhet, ami intenzív termikus kibocsátáshoz vezet a felületéről. Az anód elektronokkal történő bombázása részleges megsemmisüléshez vezet: egy mélyedés keletkezik rajta - egy kráter, amelynek hőmérséklete körülbelül 4000 ° C. A nyomásnövekedés még nagyobb hőmérséklet-emelkedést okoz.

Az elektródák hígítása során az ívkisülés egy bizonyos távolságig stabil marad, ami lehetővé teszi a kezelést az elektromos berendezések azon részein, ahol káros az általa okozott érintkezők korróziója és kiégése miatt. Ezek olyan eszközök, mint a nagyfeszültségű ill megszakítók, kontaktorok és mások. Az érintkezők kinyitásakor fellépő ív leküzdésének egyik módja az ívkiterjesztés elvén alapuló ívcsúszdák használata. Sok más módszert is alkalmaznak: érintkezők tolatása, nagy ionizációs potenciállal rendelkező anyagok használata stb.

A koronakisülés kialakulása normál légköri nyomáson élesen megy végbe inhomogén mezők nagy felületi görbületű elektródákhoz. Ezek lehetnek tornyok, árbocok, vezetékek, elektromos berendezések különféle elemei, amelyek rendelkeznek összetett formaés még emberi haj is. Az ilyen elektródát koronaelektródának nevezik. Az ionizációs folyamatok és ennek megfelelően a gáz izzása csak a közelében zajlik.

A korona egyaránt kialakulhat a katódon (negatív korona), amikor ionokkal bombázzák, és az anódon (pozitív) fotoionizáció hatására. A negatív koronát, amelyben az ionizációs folyamat a hőkibocsátás hatására az elektródától távolodva irányul el, egyenletes ragyogás jellemzi. A pozitív koronában streamerek figyelhetők meg - törött konfigurációjú világító vonalak, amelyek szikracsatornákká alakulhatnak.

Példa a koronakisülésre természeti viszonyok azok, amelyek magas árbocok, fák tetején stb. Nagy elektromos térerősség mellett jönnek létre a légkörben, gyakran zivatar előtt vagy hóvihar idején. Ráadásul a vulkáni hamufelhőbe zuhant repülőgépek bőrére rögzítették őket.

A távvezetékek vezetékein fellépő koronakisülés jelentős áramveszteségekhez vezet. Nagy feszültségen a koronakisülés ívvé alakulhat. Harcolnak vele különböző utak, például a vezetők görbületi sugarának növelésével.

Elektromos áram gázokban és plazmában

A teljesen vagy részben ionizált gázt plazmának nevezik, és az anyag negyedik halmazállapotának tekintik. Összességében a plazma elektromosan semleges, mivel az alkotórészecskék teljes töltése nulla. Ez különbözteti meg más töltött részecskék rendszereitől, mint például az elektronsugarak.

Természetes körülmények között a plazma általában magas hőmérsékleten képződik a gázatomok nagy sebességű ütközése miatt. Az Univerzum barionos anyagának túlnyomó többsége plazma állapotban van. Ezek csillagok, a csillagközi anyag részei, intergalaktikus gáz. A Föld ionoszférája is egy ritka, gyengén ionizált plazma.

Az ionizáció mértéke a plazma fontos jellemzője, vezetőképessége ettől függ. Az ionizáció mértéke az ionizált atomok számának és az egységnyi térfogatú atomok teljes számának aránya. Minél ionizáltabb a plazma, annál nagyobb az elektromos vezetőképessége. Ezenkívül nagy a mobilitása.

Látjuk tehát, hogy a kisülési csatornán belül az elektromosságot vezető gázok nem más, mint plazma. Így a fény- és koronakisülések a hideg plazma példái; a villámszikracsatorna vagy az elektromos ív a forró, szinte teljesen ionizált plazma példái.

Elektromos áram fémekben, folyadékokban és gázokban - különbségek és hasonlóságok

Tekintsük azokat a jellemzőket, amelyek a gázkisülést jellemzik, összehasonlítva más közegek áramának tulajdonságaival.

A fémekben az áram a szabad elektronok irányított mozgása, amely nem jár kémiai változásokkal. Az ilyen típusú vezetőket az első típusú vezetőknek nevezzük; ezek közé tartozik a fémeken és ötvözeteken kívül a szén, egyes sók és oxidok. Az elektronikus vezetőképesség jellemzi őket.

A második típusú vezetők az elektrolitok, azaz lúgok, savak és sók folyékony vizes oldatai. Az áram áthaladása az elektrolit kémiai változásával – elektrolízissel – jár. A vízben oldott anyag ionjai potenciálkülönbség hatására ellentétes irányba mozognak: pozitív kationok - a katódra, negatív anionok - az anódra. A folyamatot gázfejlődés vagy fémréteg lerakódása kíséri a katódon. A második típusú vezetőket ionos vezetőképesség jellemzi.

Ami a gázok vezetőképességét illeti, ez egyrészt átmeneti, másrészt mindegyikkel hasonlóság és eltérés jelei vannak. Tehát mind az elektrolitokban, mind a gázokban az elektromos áram ellentétes töltésű részecskék sodródása, amelyek az ellenkező elektródák felé irányulnak. Míg azonban az elektrolitokat tisztán ionos vezetőképesség jellemzi, az elektronikus és ionos vezetőképesség kombinációjával járó gázkisülésben a vezető szerep az elektronoké. Egy másik különbség a folyadékok és gázok elektromos árama között az ionizáció természete. Az elektrolitban az oldott vegyület molekulái vízben disszociálnak, de gázban a molekulák nem bomlanak le, csak elektronokat veszítenek. Ezért a gázkisülés, akárcsak a fémek árama, nem jár kémiai változásokkal.

A folyadékok és gázok árama szintén nem azonos. Az elektrolitok vezetőképessége összességében megfelel Ohm törvényének, de gázkisülés során nem figyelhető meg. A gázok volt-amper karakterisztikája sokkal összetettebb, a plazma tulajdonságaihoz köthető.

Meg kell említeni az általánost is megkülönböztető tulajdonságok elektromos áram gázokban és vákuumban. A vákuum szinte tökéletes dielektrikum. "Majdnem" - mert vákuumban a szabad töltéshordozók hiánya (pontosabban rendkívül alacsony koncentrációja) ellenére áram is lehetséges. De a potenciális hordozók már jelen vannak a gázban, csak ionizálni kell őket. A töltéshordozók vákuumba kerülnek az anyagból. Ez általában az elektronemisszió folyamatában fordul elő, például amikor a katódot felmelegítik (termionikus emisszió). De benne is különféle típusok A gázkibocsátásoknál, mint láttuk, fontos szerepet játszik a kibocsátás.

A gázkisülések alkalmazása a technológiában

O káros hatások bizonyos kategóriákat fent már röviden tárgyaltuk. Most pedig figyeljünk arra, hogy milyen előnyökkel járnak az iparban és a mindennapi életben.

Az izzító kisülést az elektrotechnikában (feszültségstabilizátorok), a bevonattechnikában (katódkorróziós jelenségen alapuló katódporlasztásos módszer) alkalmazzák. Az elektronikában ion- és elektronsugarak előállítására használják. Az izzítókisülések jól ismert felhasználási területei a fénycsövek és az úgynevezett gazdaságos lámpák, valamint a dekoratív neon- és argonkisülőcsövek. Ezenkívül az izzító kisülést a spektroszkópiában és a spektroszkópiában is használják.

A szikrakisülést biztosítékokban, a precíziós fémfeldolgozás elektroeróziós módszereiben (szikravágás, fúrás stb.) használják. De leginkább a belső égésű motorok gyújtógyertyáiban való felhasználásáról ismert Háztartási gépek(gáztűzhelyek).

Az ívkisülés, amelyet először 1876-ban alkalmaztak a világítástechnikában (Jablocskov gyertyája - "orosz fény"), még mindig fényforrásként szolgál - például projektorok és erős reflektorok esetében. Az elektrotechnikában az ívet a higany egyenirányítókban használják. Ezen kívül használják elektromos hegesztésben, fémvágásban, ipari elektromos kemencékben acél és ötvözet olvasztásához.

A koronakisülést elektrosztatikus leválasztókban alkalmazzák ionos gázok tisztítására, méterben elemi részecskék, villámhárítókban, klímaberendezésekben. A Corona-kisütés a fénymásolókban és lézernyomtatókban is működik, ahol egy fényérzékeny dobot tölt és kisüt, és port visz át a dobból a papírra.

Így minden típusú gázkisülést széles körben alkalmaznak. A gázokban lévő elektromos áramot a technológia számos területén sikeresen és hatékonyan használják fel.

Normál körülmények között a gázok nem vezetnek elektromosságot, mert molekuláik elektromosan semlegesek. Például a száraz levegő jó szigetelő, ezt a legegyszerűbb elektrosztatikai kísérletekkel is ellenőrizni tudjuk. A levegő és más gázok azonban elektromos áram vezetőivé válnak, ha ilyen vagy olyan módon ionok keletkeznek bennük.

Rizs. 100. A levegő elektromos áram vezetőjévé válik, ha ionizálódik

A legegyszerűbb kísérlet, amely a levegő vezetőképességét szemlélteti lánggal történő ionizációja során, az ábrán látható. 100: A tányérokon sokáig megmaradó töltés gyorsan eltűnik, ha egy világító gyufát helyezünk a lemezek közötti térbe.

Gázkisülés. Az elektromos áram gázon való átvezetésének folyamatát általában gázkisülésnek (vagy gázban elektromos kisülésnek) nevezik. A gázkibocsátásokat két típusra osztják: független és nem önfenntartó.

Nem önellátó kategória. A gázba történő kisülést nem önfenntartónak nevezzük, ha a fenntartásához külső forrásra van szükség.

ionizálás. A gázban lévő ionok magas hőmérséklet, röntgen- és ultraibolya sugárzás, radioaktivitás, kozmikus sugárzás stb. hatására keletkezhetnek. Mindezen esetekben egy vagy több elektron szabadul fel elektronhéj atom vagy molekula. Ennek eredményeként pozitív ionok és szabad elektronok jelennek meg a gázban. A felszabaduló elektronok semleges atomokhoz vagy molekulákhoz kapcsolódhatnak, negatív ionokká alakítva azokat.

Ionizáció és rekombináció. A gázban zajló ionizációs folyamatok mellett fordított rekombinációs folyamatok is végbemennek: egymással összekapcsolódva a pozitív és negatív ionok vagy pozitív ionok és elektronok semleges molekulákat vagy atomokat alkotnak.

Az ionkoncentráció időbeli változása az ionizációs és rekombinációs folyamatok állandó forrása miatt a következőképpen írható le. Tételezzük fel, hogy az ionizációs forrás egységnyi gáztérfogatban, egységnyi idő alatt hoz létre pozitív ionokat és ugyanannyi elektront. Ha a gázban nincs elektromos áram, és elhanyagolható az ionok diffúzió miatti kiszökése a vizsgált térfogatból, akkor az ionkoncentráció csökkentésének egyetlen mechanizmusa a rekombináció lesz.

A rekombináció akkor következik be, amikor egy pozitív ion találkozik az elektronnal. Az ilyen találkozások száma arányos mind az ionok, mind a szabad elektronok számával, azaz arányos -val. Ezért az egységnyi térfogatra jutó ionok számának csökkenése egységnyi idő alatt így írható fel, ahol a rekombinációs együtthatónak nevezett állandó érték.

A bevezetett feltevések érvényessége mellett a gázban lévő ionok egyensúlyegyenlete a következő formában írható fel:

Ezt a differenciálegyenletet nem fogjuk megoldani Általános nézet, és vegye figyelembe néhány érdekes speciális esetet.

Mindenekelőtt megjegyezzük, hogy az ionizációs és rekombinációs folyamatoknak egy idő után kompenzálniuk kell egymást, és állandó koncentráció jön létre a gázban, látható, hogy

A stacionárius ionkoncentráció minél nagyobb, minél erősebb az ionizációs forrás, és minél kisebb a rekombinációs együttható a.

Az ionizátor kikapcsolása után az ionkoncentráció csökkenését az (1) egyenlet írja le, amelyben a koncentráció kezdeti értékét kell venni.

Ezt az egyenletet az integráció utáni alakba átírva megkapjuk

Ennek a függvénynek a grafikonja az ábrán látható. 101. Ez egy hiperbola, melynek aszimptotái az időtengely és a függőleges vonal. fizikai jelentése A hiperbolának csak egy szakasza felel meg az értékeknek. Figyeljük meg a koncentráció időbeli csökkenésének lassúságát a fizikában gyakran előforduló exponenciális bomlási folyamatokhoz képest, amelyek akkor valósulnak meg, ha egy mennyiség csökkenésének sebessége arányos ennek a mennyiségnek a pillanatnyi értékének első hatványával.

Rizs. 101. Az ionok koncentrációjának csökkenése a gázban az ionizációs forrás kikapcsolása után

Nem önvezetés. Az ionizáló hatásának megszűnése után az ionkoncentráció csökkentésének folyamata jelentősen felgyorsul, ha a gáz külső elektromos térben van. Az elektronokat és ionokat az elektródákra húzva az elektromos tér nagyon gyorsan érvénytelenítheti a gáz elektromos vezetőképességét ionizátor hiányában.

A nem önfenntartó kisülés szabályszerűségének megértéséhez az egyszerűség kedvéért vegyük figyelembe azt az esetet, amikor egy külső forrás által ionizált gázban az áram két, egymással párhuzamos lapos elektróda között folyik. Ebben az esetben az ionok és elektronok egyenletes E erősségű elektromos térben vannak, amely egyenlő az elektródákra adott feszültség és a köztük lévő távolság arányával.

Elektronok és ionok mobilitása.Állandó rákapcsolt feszültség mellett az áramkörben egy bizonyos állandó áramerősség jön létre 1. Ez azt jelenti, hogy az ionizált gázban az elektronok és ionok állandó sebességgel mozognak. Ennek a ténynek a magyarázatához fel kell tételeznünk, hogy az elektromos tér állandó gyorsító ereje mellett a mozgó ionokra és elektronokra a sebesség növekedésével növekvő ellenállási erők is hatással vannak. Ezek az erők az elektronok és ionok semleges atomokkal és gázmolekulákkal való ütközésének átlagos hatását írják le. Az ellenállás erőin keresztül

Megállapítjuk az elektronok és ionok átlagos állandó sebességét, amely arányos az elektromos tér E erősségével:

Az arányossági együtthatókat elektron- és ionmozgásoknak nevezzük. Az ionok és elektronok mobilitása megvan különböző jelentésekés függ a gáz típusától, sűrűségétől, hőmérsékletétől stb.

Az elektromos áram sűrűségét, azaz az elektronok és ionok által egységnyi területen átvitt töltést az elektronok és ionok koncentrációjában, töltéseikben és az egyenletes mozgás sebességében fejezzük ki.

Kvázi-semlegesség. Normál körülmények között az ionizált gáz összességében elektromosan semleges, vagy ahogy mondani szokás, kvázi-semleges, mert kis térfogatban, amely viszonylag kevés elektront és iont tartalmaz, az elektromos semlegesség feltétele sérülhet. Ez azt jelenti, hogy a kapcsolat

Áramsűrűség nem önfenntartó kisülésnél. Ahhoz, hogy a gáz nem önfenntartó kisülése során az áramhordozók koncentrációjának időbeli változásának törvényét megkapjuk, a külső forrás általi ionizációs és rekombinációs folyamatokkal együtt figyelembe kell venni az elektronok és ionok kijutása az elektródákra. Az egységnyi idő alatt kilépő részecskék száma elektródánként a térfogatból egyenlő: Az ilyen részecskék koncentrációjának csökkenésének sebessége, ezt a számot elosztva az elektródák közötti gáz térfogatával kapjuk. Ezért az (1) helyett az egyensúlyegyenlet áram jelenlétében a következő formában lesz írva

A rezsim felállításához, amikor a (8)-tól megkapjuk

A (9) egyenlet lehetővé teszi, hogy meghatározzuk az állandósult állapotú áramsűrűség függését nem önfenntartó kisülés esetén az alkalmazott feszültségtől (vagy az E térerősségtől).

Két korlátozó eset közvetlenül látható.

Ohm törvénye. Alacsony feszültségen, amikor a (9) egyenletben figyelmen kívül hagyhatjuk a jobb oldalon lévő második tagot, ami után a (7) képleteket kapjuk,

Az áramsűrűség arányos az alkalmazott elektromos tér erősségével. Így gyenge elektromos térben nem önfenntartó gázkisülés esetén teljesül az Ohm-törvény.

Telítettségi áram. Alacsony elektron- és ionkoncentrációnál a (9) egyenletben figyelmen kívül hagyhatjuk az elsőt (a jobb oldali tagok szerint másodfokú. Ebben a közelítésben az áramsűrűségvektor az elektromos térerősség mentén irányul, és annak modulus

nem függ az alkalmazott feszültségtől. Ez az eredmény erős elektromos mezőkre érvényes. Ebben az esetben telítési áramról beszélünk.

Mindkét korlátozó eset megvizsgálható a (9) egyenletre való hivatkozás nélkül. Ily módon azonban lehetetlen nyomon követni, hogy a feszültség növekedésével hogyan történik átmenet az Ohm-törvényből az áram feszültségtől való nemlineáris függőségébe.

Az első korlátozó esetben, amikor az áram nagyon kicsi, az elektronok és ionok kisülési tartományból való eltávolításának fő mechanizmusa a rekombináció. Ezért a stacionárius koncentrációhoz a (2) kifejezés használható, amely a (7) figyelembe vételével azonnal a (10) képletet adja. A második korlátozó esetben éppen ellenkezőleg, a rekombinációt figyelmen kívül hagyjuk. Erős elektromos térben az elektronoknak és ionoknak nincs idejük észrevehetően rekombinálni az egyik elektródáról a másikra való repülés során, ha koncentrációjuk kellően alacsony. Ekkor a külső forrás által generált összes elektron és ion eléri az elektródákat, és a teljes áramsűrűség egyenlő az Ez arányos az ionizáló kamra hosszával, mivel az ionizáló által termelt összes elektronok és ionok száma I-vel arányos.

A gázkisülés kísérleti vizsgálata. A nem önfenntartó gázkisülés elméletének következtetéseit kísérletek igazolják. A gázkisülés tanulmányozásához célszerű két fémelektródával ellátott üvegcsövet használni. Egy ilyen telepítés elektromos áramköre az ábrán látható. 102. Mobilitás

az elektronok és ionok erősen függenek a gáznyomástól (a nyomással fordítottan arányosak), ezért célszerű csökkentett nyomáson végezni a kísérleteket.

ábrán A 103. ábra a csőben lévő áram I függését mutatja a cső elektródáira adott feszültségtől A csőben az ionizáció létrejöhet például röntgen-, ill. ultraibolya sugarak vagy gyenge radioaktív gyógyszerrel. Csak az a lényeges, hogy a külső ionforrás változatlan maradjon.

Rizs. 102. Egy gázkisülés vizsgálatára szolgáló berendezés diagramja

Rizs. 103. Gázkisülés kísérleti áram-feszültség karakterisztikája

A szakaszon az áramerősség nem lineárisan függ a feszültségtől. A B pontból kiindulva az áram eléri a telítést és bizonyos távolságig állandó marad, mindez összhangban van az elméleti előrejelzésekkel.

Self rang. A C pontban azonban az áramerősség újra növekedni kezd, először lassan, majd nagyon élesen. Ez azt jelenti, hogy egy új, belső ionforrás jelent meg a gázban. Ha most eltávolítjuk a külső forrást, akkor a gázban lévő kisülés nem áll le, azaz nem önfenntartó kisülésből önállóba megy át. Önkisüléssel új elektronok és ionok képződnek a gázban zajló belső folyamatok eredményeként.

Ionizáció elektronütéssel. Az áramerősség növekedése a nem önfenntartó kisülésről a függetlenre való átmenet során lavinaszerűen megy végbe, és a gáz elektromos lebomlása. Azt a feszültséget, amelynél a leállás bekövetkezik, gyújtási feszültségnek nevezzük. Ez a gáz típusától, valamint a gáznyomás és az elektródák közötti távolság szorzatától függ.

A gázban zajló folyamatok, amelyek az áramerősség lavinaszerű növekedéséért felelősek az alkalmazott feszültség növekedésével, a gáz semleges atomjainak vagy molekuláinak szabad elektronok általi ionizálásával járnak, amelyeket az elektromos tér kellő mértékben felgyorsít.

nagy energiák. Az elektron kinetikus energiája a következő ütközés előtt semleges atommal vagy molekulával arányos az E elektromos térerősséggel és az X elektron szabad útjával:

Ha ez az energia elegendő egy semleges atom vagy molekula ionizálásához, azaz meghaladja az ionizációs munkát

majd amikor egy elektron atommal vagy molekulával ütközik, ionizálódnak. Ennek eredményeként egy elektron helyett két elektron jelenik meg. Ezeket viszont elektromos tér gyorsítja, és ionizálja az útjuk során talált atomokat vagy molekulákat stb. A folyamat lavinaszerűen fejlődik, és elektronlavinának nevezik. A leírt ionizációs mechanizmust elektronütközéses ionizációnak nevezzük.

Kísérleti bizonyítékot szolgáltatott arra, hogy a semleges gázatomok ionizációja elsősorban az elektronok, nem pedig a pozitív ionok becsapódása miatt következik be, J. Townsend. Egy hengeres kondenzátor formájú ionizációs kamrát vett fel, amelynek belső elektródája egy vékony fémszál volt, amelyet a henger tengelye mentén feszítettek ki. Egy ilyen kamrában a gyorsuló elektromos tér erősen inhomogén, és az ionizációban a főszerepet a részecskék játsszák, amelyek az izzószál közelében a legerősebb mező tartományába kerülnek. A tapasztalat azt mutatja, hogy az elektródák közötti azonos feszültség esetén a kisülési áram nagyobb, ha a pozitív potenciált az izzószálra, és nem a külső hengerre alkalmazzuk. Ebben az esetben minden szabad elektron, amely áramot hoz létre, szükségszerűen áthalad a legerősebb mező tartományán.

Elektronok kibocsátása a katódról. Az önfenntartó kisülés csak akkor lehet stacionárius, ha folyamatosan új szabad elektronok jelennek meg a gázban, hiszen a lavinában megjelenő összes elektron eléri az anódot és kiesik a játékból. A pozitív ionok az új elektronokat kiütik a katódból, amelyek a katód felé haladva szintén felgyorsulnak az elektromos tér hatására, és ehhez elegendő energiát szereznek.

A katód nemcsak ionbombázás eredményeként képes elektronokat bocsátani, hanem önállóan is, ha magas hőmérsékletre hevítik. Ezt a folyamatot termionikus emissziónak nevezik, egyfajta elektronpárolgásnak tekinthető a fémből. Általában ilyen hőmérsékleten fordul elő, amikor magának a katódanyagnak a párolgása még kicsi. Önfenntartó gázkisülés esetén a katódot általában anélkül melegítik

izzószál, mint a vákuumcsövekben, de pozitív ionokkal bombázva hő szabadul fel. Ezért a katód akkor is elektronokat bocsát ki, ha az ionok energiája nem elegendő az elektronok kiütéséhez.

Az önfenntartó kisülés egy gázban nem csak a nem önfenntartó kisülésből való átmenet eredményeként jön létre növekvő feszültséggel és távolodással külső forrás ionizációval, hanem a gyújtási küszöbfeszültséget meghaladó feszültség közvetlen alkalmazásával is. Az elmélet azt mutatja, hogy a kisülés meggyújtásához elegendő a legkisebb mennyiségű ion, amely a semleges gázban mindig jelen van, már csak a természetes radioaktív háttér miatt is.

A gáz tulajdonságaitól és nyomásától, az elektródák konfigurációjától és az elektródákra adott feszültségtől függően különféle típusú önkisülés lehetséges.

Parázsló váladékozás. Nál nél alacsony nyomások(higanymilliméter tized és századrész) izzókisülés figyelhető meg a csőben. Az izzó kisülés meggyújtásához több száz vagy akár több tíz voltos feszültség is elegendő. Az izzító kisülésben négy jellegzetes régió különböztethető meg. Ezek a sötét katód tér, a világító (vagy negatív) izzás, a Faraday sötét tér és a világító pozitív oszlop, amely az anód és a katód közötti tér nagy részét foglalja el.

Az első három régió a katód közelében található. Itt következik be a potenciál éles csökkenése, amely a pozitív ionok nagy koncentrációjával jár együtt a katód sötét terének határán és a parázsló izzásban. A katód sötét tér tartományában felgyorsított elektronok intenzív ütközési ionizációt idéznek elő a világító tartományban. A parázsló izzás az ionok és elektronok semleges atomokká vagy molekulákká való rekombinációjának köszönhető. A kisülés pozitív oszlopát enyhe potenciálcsökkenés és izzás jellemzi, amelyet a gerjesztett atomok vagy gázmolekulák alapállapotba való visszatérése okoz.

Korona folyás. Viszonylag nagy nyomáson a gázban (a légköri nyomás nagyságrendjébe) a vezető hegyes szakaszai közelében, ahol az elektromos tér erősen inhomogén, kisülés figyelhető meg, amelynek világító tartománya koronára emlékeztet. Koronaváladék néha előfordul vivo fák tetején, hajóárbocokon stb. ("Szent Elmo tüzei"). A koronakisülést a nagyfeszültségű mérnöki munkában figyelembe kell venni, ha ez a kisülés a nagyfeszültségű távvezetékek vezetékei körül történik, és áramveszteséghez vezet. Hasznos gyakorlati használat koronakisülés található az elektrosztatikus leválasztókban tisztítás céljából ipari gázok szilárd és folyékony részecskék szennyeződéseitől.

Az elektródák közötti feszültség növekedésével a koronakisülés szikrává alakul, és a rés teljesen leépül.

elektródák. Fényes cikk-cakk elágazó csatornákból álló nyaláb alakú, amely azonnal behatol a kisülési résen, és szeszélyesen helyettesíti egymást. A szikrakisülést nagy mennyiségű hő felszabadulása, élénk kékesfehér izzás és erős recsegés kíséri. Az elektrofor gép golyói között megfigyelhető. Az óriási szikrakisülésre példa a természetes villám, ahol az áramerősség eléri az 5-105 A-t, a potenciálkülönbség pedig 109 V.

Mivel a szikrakisülés légköri (és magasabb) nyomáson történik, a gyújtási feszültség nagyon magas: száraz levegőben, az elektródák közötti távolság 1 cm, körülbelül 30 kV.

Elektromos ív. Gyakorlatilag konkrét fontos nézet az öngázkisülés elektromos ív. Ha két szén- vagy fémelektród érintkezik az érintkezési pontjukon, nagyszámú hő a nagy érintkezési ellenállás miatt. Ennek eredményeként megindul a termikus emisszió, és amikor az elektródákat egymástól elmozdítják, egy erősen ionizált, jól vezető gázból erősen világító ív keletkezik. Az áramerősség kis ívben is eléri a több ampert, nagy ívben pedig több száz ampert körülbelül 50 V feszültség mellett. Az elektromos ívet széles körben használják a technológiában erős fényforrásként, elektromos kemencékben és elektromos hegesztéshez . gyenge késleltető mező, amelynek feszültsége körülbelül 0,5 V. Ez a mező megakadályozza, hogy lassú elektronok elérjék az anódot. Az elektronokat az elektromos árammal felmelegített K katód bocsátja ki.

ábrán A 105. ábra az anódáramkör áramerősségének függőségét mutatja az ezekben a kísérletekben kapott gyorsítófeszültségtől, amely nem monoton jellegű, maximuma 4,9 V feszültség többszöröse esetén.

Az atomi energiaszintek diszkrétsége. Az áramnak ez a feszültségfüggősége csak a higanyatomokban lévő diszkrét stacionárius állapotokkal magyarázható. Ha az atomnak nem lenne diszkrét stacionárius állapota, azaz annak belső energia tetszőleges értéket vehet fel, akkor rugalmatlan ütközések, amelyek az atom belső energiájának növekedésével járnak, bármely elektronenergiánál előfordulhatnak. Ha vannak diszkrét állapotok, akkor az elektronok atomokkal való ütközése csak addig lehet rugalmas, amíg az elektronok energiája nem elegendő ahhoz, hogy az atom az alapállapotból a legalacsonyabb gerjesztett állapotba kerüljön.

Rugalmas ütközések során az elektronok mozgási energiája gyakorlatilag nem változik, mivel az elektron tömege sokkal kisebb, mint a higanyatom tömege. Ilyen körülmények között az anódot elérő elektronok száma a feszültség növekedésével monoton módon növekszik. Amikor a gyorsító feszültség eléri a 4,9 V-ot, az elektronok atomokkal való ütközése rugalmatlanná válik. Az atomok belső energiája ugrásszerűen megnő, és az elektron az ütközés következtében szinte teljes mozgási energiáját elveszíti.

A késleltető mező szintén nem engedi, hogy a lassú elektronok elérjék az anódot, és az áramerősség erősen csökken. Csak azért nem tűnik el, mert az elektronok egy része rugalmatlan ütközések nélkül éri el a rácsot. Az áramerősség második és ezt követő maximumát azért kapjuk, mert a 4,9 V többszörösének megfelelő feszültségeknél a rács felé tartó elektronok többszörös rugalmatlan ütközést tapasztalhatnak higanyatomokkal.

Tehát az elektron a rugalmatlan ütközéshez szükséges energiát csak 4,9 V potenciálkülönbségen való áthaladás után szerzi meg. Ez azt jelenti, hogy a higanyatomok belső energiája nem változhat eV-nál kisebb mértékben, ami bizonyítja az energiaspektrum diszkrétségét. atom. Ennek a következtetésnek az érvényességét az is megerősíti, hogy 4,9 V-os feszültségnél a kisülés izzani kezd: gerjesztett atomok spontán

az alapállapotba való átmenetek látható fényt bocsátanak ki, melynek frekvenciája egybeesik a képlettel számított frekvenciával

Frank és Hertz klasszikus kísérleteiben az elektronütődéses módszer nemcsak a gerjesztési potenciálokat, hanem számos atom ionizációs potenciálját is meghatározta.

Mondjon egy példát egy elektrosztatikus kísérletre, amely megmutatja, hogy a száraz levegő jó szigetelő.

Hol használják a levegő szigetelő tulajdonságait a gépészetben?

Mi az a nem önfenntartó gázkibocsátás? Milyen feltételek mellett fut?

Magyarázza meg, hogy a rekombináció következtében bekövetkező koncentrációcsökkenés miért arányos az elektronok és ionok koncentrációjának négyzetével! Miért tekinthetők ezek a koncentrációk azonosnak?

Miért nincs értelme a (3) képlettel kifejezett csökkenő koncentráció törvényének bevezetni a karakterisztikus idő fogalmát, amelyet széles körben használnak az exponenciálisan bomló folyamatokra, holott a folyamatok általában mindkét esetben végtelenül hosszú ideig tartanak? idő?

Ön szerint miért ellentétes előjeleket választanak a mobilitás definícióiban a (4) képletekben az elektronokra és ionokra?

Hogyan függ az áramerősség egy nem önfenntartó gázkisülésben az alkalmazott feszültségtől? Miért történik az Ohm-törvényről a telítési áramra való átmenet növekvő feszültség mellett?

A gázban az elektromos áramot elektronok és ionok egyaránt végzik. Azonban mindegyik elektródára csak egy előjelű töltés érkezik. Hogyan egyezik ez azzal a ténnyel, hogy a soros áramkör minden szakaszában az áramerősség azonos?

Miért az elektronok, nem pedig a pozitív ionok játsszák a legnagyobb szerepet a gázionizációban az ütközések miatti kisülésben?

Írd le jellemzők különféle fajták független gázkibocsátás.

Miért tanúskodnak Frank és Hertz kísérleteinek eredményei az atomok energiaszintjének diszkrétségéről?

Írd le fizikai folyamatok Frank és Hertz kísérleteiben a gázkisülési csőben előforduló, a gyorsító feszültség növekedésével.

Témák HASZNÁLJON kodifikátort : szabad elektromos töltések hordozói gázokban.

Normál körülmények között a gázok elektromosan semleges atomokból vagy molekulákból állnak; A gázokban szinte nincs ingyenes díj. Ezért a gázok dielektrikumok- elektromos áram nem halad át rajtuk.

Azt mondtuk, hogy "szinte nincs", mert valójában a gázokban és különösen a levegőben mindig van bizonyos mennyiségű szabad töltésű részecskék. A földkérget alkotó radioaktív anyagok sugárzásának ionizáló hatása, ultraibolya és röntgensugarak a Nap, valamint a kozmikus sugarak - a nagy energiájú részecskék áramlatai, amelyek behatolnak a Föld légkörébe világűr. Erre a tényre a későbbiekben még visszatérünk, és ennek fontosságát taglaljuk, de egyelőre csak annyit jegyzünk meg, hogy normál körülmények között a gázok vezetőképessége, amit a „természetes” mennyiségű szabad töltés okoz, elhanyagolható és figyelmen kívül hagyható.

Az elektromos áramkörök kapcsolóinak működése a légrés szigetelő tulajdonságain alapul (1. ábra). Például egy kis légrés egy villanykapcsolóban elegendő ahhoz, hogy a helyiségben megnyissa az elektromos áramkört.

Rizs. 1 kulcs

Lehetőség van azonban olyan feltételek kialakítására, amelyek mellett elektromos áram keletkezik a gázrésben. Nézzük a következő tapasztalatot.

A légkondenzátor lapjait feltöltjük, és egy érzékeny galvanométerre csatlakoztatjuk (2. ábra balra). Nál nél szobahőmérsékletés a nem túl párás levegőben a galvanométer nem mutat észrevehető áramot: a légrésünk, mint mondtuk, nem elektromos vezető.

Rizs. 2. Az áram előfordulása a levegőben

Most vigyük be egy égő vagy egy gyertya lángját a kondenzátor lapjai közötti résbe (2. ábra, jobb oldalon). Megjelenik az aktuális! Miért?

Ingyen díj a gázban

Az elektromos áram előfordulása a kondenzátor lemezei között azt jelenti, hogy a levegőben a láng hatására megjelent ingyenes díjak. Pontosan mit?

A tapasztalat azt mutatja, hogy a gázokban az elektromos áram töltött részecskék rendezett mozgása. három fajta. Ez elektronok, pozitív ionokés negatív ionok.

Nézzük meg, hogyan jelenhetnek meg ezek a töltések egy gázban.

A gáz hőmérsékletének növekedésével részecskéinek - molekuláinak vagy atomjainak - hőrezgései intenzívebbé válnak. A részecskék egymás elleni ütközése akkora erőt ér el, hogy ionizálás- semleges részecskék bomlása elektronokká és pozitív ionokká (3. ábra).

Rizs. 3. Ionizáció

Ionizációs fok a bomlott gázrészecskék számának aránya a részecskék teljes kezdeti számához viszonyítva. Például, ha az ionizáció mértéke , akkor ez azt jelenti, hogy az eredeti gázrészecskék pozitív ionokká és elektronokká bomlottak.

A gáz ionizációs foka a hőmérséklettől függ, és ennek növekedésével meredeken növekszik. A hidrogénnél például az ionizációs fok alatti hőmérsékleten nem haladja meg a -t, az ionizációs fok feletti hőmérsékleten pedig közel van (vagyis a hidrogén szinte teljesen ionizált (a részben vagy teljesen ionizált gázt ún. vérplazma)).

A magas hőmérsékleten kívül más tényezők is okozzák a gázionizációt.

Mellesleg már említettük őket: ezek radioaktív sugárzás, ultraibolya, röntgen- és gamma-sugárzás, kozmikus részecskék. Minden olyan tényezőt, amely egy gáz ionizációját okozza, ún ionizáló.

Így az ionizáció nem magától, hanem ionizáló hatása alatt megy végbe.

Ugyanakkor a fordított folyamat rekombináció, azaz egy elektron és egy pozitív ion újraegyesülése semleges részecskévé (4. ábra).

Rizs. 4. Rekombináció

A rekombináció oka egyszerű: az ellentétes töltésű elektronok és ionok Coulomb-vonzása. Az elektromos erők hatására egymás felé rohanva találkoznak, és lehetőséget kapnak semleges atom (vagy molekula kialakítására - a gáz típusától függően).

Az ionizáló hatás állandó intenzitása mellett dinamikus egyensúly jön létre: az egységnyi idő alatt lebomló részecskék átlagos száma megegyezik a rekombináló részecskék átlagos számával (más szóval az ionizációs sebesség megegyezik a rekombinációs sebességgel). az ionizáló hatás erősödik (például a hőmérséklet emelése), ekkor a dinamikus egyensúly az ionizáció irányába tolódik el, és a gázban lévő töltött részecskék koncentrációja nő. Éppen ellenkezőleg, ha kikapcsolja az ionizátort, akkor a rekombináció érvényesülni kezd, és az ingyenes töltések fokozatosan teljesen eltűnnek.

Tehát az ionizáció következtében pozitív ionok és elektronok jelennek meg a gázban. Honnan jön a harmadik típusú töltés – a negatív ionok? Nagyon egyszerű: egy elektron berepülhet egy semleges atomba, és csatlakozhat hozzá! Ez a folyamat az ábrán látható. 5.

Rizs. 5. Negatív ion megjelenése

Az így képződött negatív ionok a pozitív ionokkal és elektronokkal együtt részt vesznek az áram létrehozásában.

Nem önkisülés

Ha nincs külső elektromos tér, akkor a szabad töltések kaotikus hőmozgást végeznek a semleges gázrészecskékkel együtt. De amikor elektromos mezőt alkalmazunk, megkezdődik a töltött részecskék rendezett mozgása - elektromos áram a gázban.

Rizs. 6. Nem önfenntartó váladékozás

ábrán A 6. ábrán háromféle töltött részecskét látunk, amelyek egy ionizátor hatására a gázrésben keletkeznek: pozitív ionok, negatív ionok és elektronok. A gázban elektromos áram keletkezik a töltött részecskék közeledő mozgása következtében: pozitív ionok - a negatív elektródhoz (katód), elektronok és negatív ionok - a pozitív elektródhoz (anód).

A pozitív anódra eső elektronok az áramkör mentén az áramforrás "pluszához" kerülnek. A negatív ionok egy extra elektront adnak az anódnak, és miután semleges részecskévé váltak, visszatérnek a gázba; az anódnak adott elektron is a forrás „pluszához” rohan. A pozitív ionok a katódra jutva elektronokat vesznek el onnan; az ebből adódó elektronhiányt a katódon azonnal kompenzálja azok odaszállítása a forrás „mínuszából”. Ezen folyamatok eredményeként a külső áramkörben az elektronok rendezett mozgása következik be. Ez a galvanométer által rögzített elektromos áram.

ábrán leírt folyamat. 6 hívják nem önfenntartó váladékozás gázban. Miért függő? Ezért a karbantartásához szükséges állandó cselekvés ionizáló. Távolítsuk el az ionizátort - és az áram leáll, mivel eltűnik a mechanizmus, amely biztosítja a szabad töltések megjelenését a gázrésben. Az anód és a katód közötti tér ismét szigetelővé válik.

Volt-amper jellemző a gázkisülésre

A gázrésen keresztüli áramerősség függése az anód és a katód közötti feszültségtől (ún. gázkisülésre jellemző áram-feszültség) ábrán látható. 7.

Rizs. 7. A gázkisülés Volt-amper karakterisztikája

Nulla feszültségnél az áramerősség természetesen nullával egyenlő: a töltött részecskék csak hőmozgást végeznek, az elektródák között nincs rendezett mozgás.

Kis feszültség mellett az áramerősség is kicsi. A helyzet az, hogy nem minden töltött részecske jut az elektródákhoz: a pozitív ionok és elektronok egy része egymásra talál, és mozgásuk során rekombinálódik.

A feszültség növekedésével a szabad töltések egyre gyorsabban fejlődnek, és annál kisebb az esélye, hogy egy pozitív ion és egy elektron találkozzon és újraegyesüljön. Ezért a töltött részecskék egyre nagyobb része éri el az elektródákat, és nő az áramerősség (szakasz).

Egy bizonyos feszültségértéken (pont) a töltési sebesség olyan nagy lesz, hogy a rekombinációnak egyáltalán nincs ideje megtörténni. Mostantól minden az ionizátor hatására keletkező töltött részecskék elérik az elektródákat, ill az áram eléri a telítettséget- Ugyanis az áramerősség megszűnik a feszültség növekedésével. Ez egy bizonyos pontig folytatódik.

önkisülés

A pont áthaladása után az áramerősség meredeken növekszik a feszültség növekedésével - kezdődik független kisülés. Most kitaláljuk, mi az.

A töltött gázrészecskék ütközésről ütközésre mozognak; az ütközések közötti intervallumokban elektromos térrel felgyorsítják őket, növelve kinetikus energiájukat. És most, amikor a feszültség elég nagy lesz (ez pont), az elektronok szabad útjuk során olyan energiákat érnek el, hogy amikor semleges atomokkal ütköznek, ionizálják őket! (Az impulzus- és energiamegmaradás törvényei alapján kimutatható, hogy az elektromos térrel felgyorsított elektronok (és nem ionok) képesek maximálisan ionizálni az atomokat.)

Az úgynevezett elektronütéses ionizáció. Az ionizált atomokból kiütött elektronokat is felgyorsítja az elektromos tér, és új atomokat találnak, most ionizálva azokat, és új elektronokat generálva. A kialakuló elektronlavina hatására az ionizált atomok száma rohamosan növekszik, aminek következtében az áramerősség is rohamosan nő.

Az ingyenes töltések száma olyan nagyra nő, hogy nincs szükség külső ionizátorra. Egyszerűen eltávolítható. A szabad töltésű részecskék most ennek eredményeként keletkeznek belföldi a gázban lejátszódó folyamatok – ezért nevezik a kisülést függetlennek.

Ha a gázrés nagyfeszültség alatt van, akkor nincs szükség ionizátorra az önkisüléshez. Elég csak egy szabad elektront találni a gázban, és megindul a fent leírt elektronlavina. És mindig lesz legalább egy szabad elektron!

Emlékezzünk vissza még egyszer, hogy egy gázban még normál körülmények között is van bizonyos „természetes” mennyiségű szabad töltés, a földkéreg ionizáló radioaktív sugárzása, a Nap nagyfrekvenciás sugárzása és a kozmikus sugarak miatt. Láttuk, hogy alacsony feszültségen ezek a szabad töltések okozta gáz vezetőképessége elhanyagolható, de most - nagy feszültségen - új részecskék lavináját idézik elő, ami önálló kisülést eredményez. Úgy lesz, ahogy mondják bontás gázrés.

A száraz levegő lebontásához szükséges térerősség körülbelül kV/cm. Vagyis ahhoz, hogy a levegő centiméterrel elválasztott elektródák között szikra ugorjon, kilovoltos feszültséget kell rájuk kapcsolni. Képzeld el, mekkora feszültségre van szükség a több kilométernyi levegő áttöréséhez! De pontosan az ilyen meghibásodások fordulnak elő zivatar során - ezek a villámok jól ismertek az Ön számára.

Ez egy rövid összefoglaló.

A munka a teljes verzión folytatódik

Előadás2 1

Áram a gázokban

1. Általános rendelkezések

Meghatározás: Az elektromos áram gázokban való áthaladásának jelenségét ún gázkisülés.

A gázok viselkedése nagymértékben függ paramétereitől, mint például a hőmérséklet és a nyomás, és ezek a paraméterek meglehetősen könnyen változnak. Ezért a gázokban az elektromos áram áramlása bonyolultabb, mint a fémekben vagy a vákuumban.

A gázok nem engedelmeskednek Ohm törvényének.

2. Ionizáció és rekombináció

A gáz normál körülmények között gyakorlatilag semleges molekulákból áll, ezért rendkívül rossz elektromos áramvezető. Külső behatásra azonban egy elektron lejöhet az atomról, és megjelenik egy pozitív töltésű ion. Ezenkívül egy elektron csatlakozhat semleges atomhoz, és negatív töltésű iont képezhet. Így lehetőség nyílik ionizált gáz kinyerésére, pl. vérplazma.

A külső hatások közé tartozik a melegítés, az energetikai fotonokkal történő besugárzás, más részecskék általi bombázás és az erős mezők, pl. ugyanazok a feltételek, amelyek az elemkibocsátáshoz szükségesek.

Az atomban lévő elektron egy potenciálkútban van, és ahhoz, hogy onnan el tudjon menekülni, további energiát kell adni az atomnak, amit ionizációs energiának nevezünk.

Anyag	Ionizációs energia, eV
hidrogén atom	13,59
Hidrogén molekula	15,43
Hélium	24,58
oxigén atom	13,614
oxigén molekula	12,06

Az ionizáció jelensége mellett a rekombináció jelensége is megfigyelhető, azaz. egy elektron és egy pozitív ion egyesülése semleges atomot képez. Ez a folyamat az ionizációs energiával egyenlő energia felszabadulásával megy végbe. Ez az energia felhasználható sugárzásra vagy fűtésre. A gáz helyi melegítése helyi nyomásváltozáshoz vezet. Ami viszont oda vezet hang hullámok. Így a gázkisülést fény-, hő- és zajhatások kísérik.

3. Gázkisülés CVC.

A kezdeti szakaszban külső ionizátorra van szükség.

A BAW szekcióban az áram egy külső ionizáló hatására létezik, és gyorsan eléri a telítést, amikor az összes ionizált részecske részt vesz az áramgenerálásban. Ha eltávolítja a külső ionizálót, az áram leáll.

Ezt a fajta kisülést nem önfenntartó gázkibocsátásnak nevezik. Amikor megpróbálja növelni a gáz feszültségét, elektronlavina jelenik meg, és az áram gyakorlatilag állandó feszültség mellett növekszik, amelyet gyújtási feszültségnek (BC) nevezünk.

Ettől a pillanattól kezdve a kisülés függetlenné válik, és nincs szükség külső ionizátorra. Az ionok száma olyan nagyra nőhet, hogy az elektródák közötti rés ellenállása csökken, és ennek megfelelően a feszültség (SD) csökken.

Ezután az elektródák közötti résben az áram áthaladási tartománya szűkülni kezd, és nő az ellenállás, és ennek következtében a feszültség (DE) nő.

Amikor megpróbálja növelni a feszültséget, a gáz teljesen ionizált lesz. Az ellenállás és a feszültség nullára csökken, és az áram többszörösére emelkedik. Kiderült, hogy ívkisülés (EF).

A CVC azt mutatja, hogy a gáz egyáltalán nem engedelmeskedik Ohm törvényének.

4. Folyamatok gázban

olyan folyamatokat, amelyek képesek elektronlavinák kialakulásához vezetnek a képen.

Ezek Townsend kvalitatív elméletének elemei.

5. Izzó kisülés.

Alacsony nyomáson és alacsony feszültségen ez a kisülés figyelhető meg.

K - 1 (sötét Aston tér).

1-2 (világító katódfilm).

2 – 3 (sötét Crookes szóköz).

3 - 4 (első katódfény).

4-5 (sötét Faraday-tér)

5 - 6 (pozitív anódoszlop).

6 – 7 (anódos sötét tér).

7 - A (anód fénye).

Ha az anód mozgatható, akkor a pozitív oszlop hossza állítható, gyakorlatilag a K-5 régió méretének megváltoztatása nélkül.

A sötét területeken a részecskék felgyorsulnak és az energia felhalmozódik, a világos területeken ionizációs és rekombinációs folyamatok mennek végbe.